兩河口水電站礫石土料擊實(shí)特性及質(zhì)量控制標(biāo)準(zhǔn)研究

車(chē) 維 斌， 江 萬(wàn) 紅

(中國(guó)水利水電第五工程局有限公司，四川 成都 610066)

1 概 述

目前，在我國(guó)已建、在建的超高心墻堆石壩水電工程中，糯扎渡、長(zhǎng)河壩水電站已經(jīng)建成，兩河口與雙江口水電站正在進(jìn)行大壩填筑。相關(guān)資料表明：超高心墻堆石壩壩高大于200 m，技術(shù)難度大。我國(guó)在建的高土石壩已完成壩高200 m向300 m的跨越。

兩河口水電站工程心墻采用的礫石土料P5含量為30%～50%，最大粒徑150 mm，采用修正普氏2 688 kJ/m3擊實(shí)功下的全料壓實(shí)度為≥97%，粒徑小于20 mm的細(xì)料壓實(shí)度≥99%(采用普氏595 kJ/m3)。

為獲取心墻礫石土料原級(jí)配全料擊實(shí)試驗(yàn)數(shù)據(jù)及填筑質(zhì)量控制的標(biāo)準(zhǔn)，項(xiàng)目部比較了兩種級(jí)配狀態(tài)下全料壓實(shí)度與粒徑小于20 mm的細(xì)料壓實(shí)度的對(duì)應(yīng)關(guān)系，進(jìn)一步驗(yàn)證了大壩心墻礫石土料壓實(shí)度控制指標(biāo)的合理性，在使用φ800超大型擊實(shí)儀和φ300大型擊實(shí)儀試驗(yàn)中，掌握了摻礫土料的擊實(shí)特性，確定了填筑質(zhì)量控制標(biāo)準(zhǔn)，并對(duì)以下3個(gè)方面的內(nèi)容進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)研究：

(1) 礫石土料擊實(shí)試驗(yàn)的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題及特性。我國(guó)現(xiàn)行的規(guī)程規(guī)范要求：大型擊實(shí)儀的最大直徑為300 mm，使用于粒徑不大于60 mm的土料。兩河口水電站礫石土料最大粒徑為150 mm，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)規(guī)程規(guī)范要求，因此，決定采用超大型擊實(shí)儀進(jìn)行全級(jí)配擊實(shí)特性的研究。

(2)找出礫石土料全料壓實(shí)度與細(xì)料壓實(shí)度之間的匹配關(guān)系。

(3)質(zhì)量控制標(biāo)準(zhǔn)研究。國(guó)內(nèi)修建的超高土石壩都是在基礎(chǔ)研究的基礎(chǔ)上提出各自的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，不同的工程不盡一致，但都嚴(yán)格遵循現(xiàn)行的規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)。在此基礎(chǔ)上，項(xiàng)目部研究出適用于兩河口水電站礫石土料質(zhì)量控制的標(biāo)準(zhǔn)，可為在建和擬建的超高堆石壩礫石土料的質(zhì)量控制提供依據(jù)。

2 礫石土料擊實(shí)特性

項(xiàng)目部對(duì)不同摻礫量的土料分別進(jìn)行了超大型擊實(shí)φ800(全級(jí)配)、大型擊實(shí)φ300(替代法全級(jí)配)、輕型擊實(shí)φ152(粒徑小于20 mm細(xì)料)試驗(yàn)。為了掌握全級(jí)配土料的擊實(shí)特性，通過(guò)分析超大型擊實(shí)φ800和大型擊實(shí)φ300的成果，確定了全料壓實(shí)度與細(xì)料壓實(shí)度之間的匹配關(guān)系。

2.1 擊實(shí)試驗(yàn)參數(shù)選擇

根據(jù)相關(guān)規(guī)范要求及擊實(shí)功能確定了相應(yīng)的擊實(shí)參數(shù)[1]，直徑為800 mm的超大型擊實(shí)儀為國(guó)內(nèi)最大。各項(xiàng)擊實(shí)試驗(yàn)采用的擊實(shí)儀參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 擊實(shí)儀基本參數(shù)表

2.2 試驗(yàn)內(nèi)容及試驗(yàn)組數(shù)

針對(duì)不同P5含量(0%～80%)進(jìn)行了φ800超大型擊實(shí)試驗(yàn)和φ300(0%～90%)大型擊實(shí)試驗(yàn)及粒徑小于20 mm的細(xì)料不同P5含量(0%～90%)輕型擊實(shí)試驗(yàn)。試驗(yàn)中，φ300的大型擊實(shí)采用等量替代法制樣，對(duì)于粒徑小于20 mm細(xì)料的輕型擊實(shí)采用剔除法制樣。

2.3 試驗(yàn)成果

根據(jù)礫石土料擊實(shí)試驗(yàn)成果(圖1、2)得到的礫石土料擊實(shí)特性如下：

(1)最大干密度、最優(yōu)含水率與P5含量的關(guān)系。礫石土料在φ800超大型擊實(shí)(全級(jí)配)和φ300(替代法全級(jí)配)大型擊實(shí)時(shí)，其最大干密度均隨摻礫量的增加而呈現(xiàn)出先增后降的特點(diǎn)，峰值出現(xiàn)在摻礫量70%附近，最優(yōu)含水率均隨摻礫量的增加而降低，擊后P5含量隨摻礫量的增加而大致呈線性增加；超大型擊實(shí)與大型擊實(shí)均隨摻礫量的增加經(jīng)歷由懸浮到緊密、再由緊密到骨架的過(guò)程，摻礫土最大干密度均表現(xiàn)出先增后降的特點(diǎn)[2]。

(2)不同擊實(shí)儀參數(shù)的差異。①當(dāng)摻礫量為0%～80%時(shí)，超大型擊實(shí)的最大干密度(原級(jí)配全料)小于大型擊實(shí)(替代法全料)最大干密度，差值為0.04 g/cm3左右；當(dāng)摻礫量為10%～60%時(shí)，超大型擊實(shí)試驗(yàn)的最優(yōu)含水率大于大型擊實(shí)試驗(yàn)的最優(yōu)含水率，最優(yōu)含水率相差較大，差值在1.2%～2%之間，平均值為1.4%；當(dāng)摻礫量為70%～80%時(shí)，超大型擊實(shí)最優(yōu)含水率大于大型擊實(shí)最優(yōu)含水率，但差值較小，基本相同；②當(dāng)摻礫量為10%～80%時(shí)，超大型擊實(shí)曲線的左側(cè)比大型擊實(shí)曲線的左側(cè)陡，說(shuō)明超大型擊實(shí)干密度對(duì)含水率的變化更為敏感。因此，在該工程設(shè)計(jì)摻礫范圍內(nèi)，采用φ300(替代法全級(jí)配)大型擊實(shí)和φ800超大型擊實(shí)(全級(jí)配)成果作為礫石土料全料壓實(shí)度質(zhì)量控制是合適的[3]。

(3)不同擊實(shí)功能下最大干密度的差異。在2 688 kJ/m3(超大型擊實(shí))、2 688 kJ/m3(大型擊實(shí))、595 kJ/m3(輕型擊實(shí))功能下得到的最大干密度值相差較大。當(dāng)P5含量在0%～70%范圍內(nèi)時(shí)，2 688 kJ/m3(超大型擊實(shí))和2 688 kJ/m3(大型擊實(shí))功能與595 kJ/m3功能能建立起較為穩(wěn)定的對(duì)應(yīng)關(guān)系[4]。

圖1 超大型擊實(shí)試驗(yàn)曲線圖

圖2 大型擊實(shí)試驗(yàn)曲線圖

(4)最優(yōu)含水率規(guī)律。在各擊實(shí)參數(shù)下，礫石土料的最優(yōu)含水率均隨P5含量的增加而降低，符合規(guī)律。

2.4 全料壓實(shí)度與細(xì)料壓實(shí)度之匹配關(guān)系

設(shè)計(jì)單位在填筑標(biāo)準(zhǔn)及要求中提出對(duì)碾壓后的礫石土心墻料壓實(shí)度以全料壓實(shí)度和細(xì)料壓實(shí)度進(jìn)行雙控制。礫石土心墻料全料壓實(shí)度≥97%，粒徑小于20 mm的細(xì)料壓實(shí)度≥100%。本次試驗(yàn)研究根據(jù)P5含量20%～60%的全料與細(xì)料壓實(shí)度匹配關(guān)系得出：全料壓實(shí)度為97%時(shí)，相對(duì)應(yīng)的細(xì)料壓實(shí)度為100.6%～103.6%，均大于100%，因此，當(dāng)全料壓實(shí)度為97%時(shí)，選擇細(xì)料壓實(shí)度≥100%是合理的[5]。

2.5 細(xì)料壓實(shí)度控制標(biāo)準(zhǔn)的確定

擊后P5含量為20%～60%、全料壓實(shí)度為97%時(shí)，5組超大型擊實(shí)細(xì)料壓實(shí)度在100.7%～103.6%之間，平均為102.1%；5組大型擊實(shí)細(xì)料壓實(shí)度在102.4%～104.4%之間，平均為103.4%，大型擊實(shí)細(xì)料壓實(shí)度比超大型擊實(shí)細(xì)料壓實(shí)度平均值大1.3%。

各組土料性能雖有差異，但其對(duì)細(xì)料壓實(shí)度影響相對(duì)較小，P5含量在20%～60%時(shí)，相同P5含量下各組摻礫土料細(xì)料壓實(shí)度均大于100%且差異較小，差值平均值為1.3%，因此，采用粒徑小于20 mm的細(xì)料壓實(shí)度進(jìn)行礫石土料填筑日常質(zhì)量控制可行。

3 質(zhì)量控制標(biāo)準(zhǔn)的確定

根據(jù)本次試驗(yàn)成果，最終確定現(xiàn)場(chǎng)填筑采用粒徑小于20 mm的細(xì)料壓實(shí)度(三點(diǎn)擊實(shí)法)替代全料壓實(shí)度進(jìn)行質(zhì)量控制，全料壓實(shí)度每填筑2 m采用φ300大型擊實(shí)儀(等量替代法全級(jí)配)復(fù)核1組；每填筑10 m采用φ800超大型擊實(shí)儀進(jìn)行全料擊實(shí)試驗(yàn)復(fù)核1組。

4 應(yīng)用效果

在兩河口水電站大壩填筑初期，為了驗(yàn)證試驗(yàn)成果的實(shí)用性及可行性，項(xiàng)目部采用了點(diǎn)對(duì)點(diǎn)全料和細(xì)料做對(duì)比試驗(yàn)，經(jīng)過(guò)對(duì)一段時(shí)間的試驗(yàn)檢測(cè)成果進(jìn)行分析，對(duì)全料壓實(shí)度的取樣頻率進(jìn)行了調(diào)整，將每200～500 m3取樣檢測(cè)1組調(diào)整為全料壓實(shí)度每填筑2 m采用φ300大型擊實(shí)儀(等量替代法全級(jí)配)復(fù)核1組；每填筑10 m，采用φ800超大型擊實(shí)儀進(jìn)行全料擊實(shí)試驗(yàn)復(fù)核1組，用細(xì)料壓實(shí)度(三點(diǎn)擊實(shí)法)替代全料壓實(shí)度，可以大大縮短試驗(yàn)檢測(cè)時(shí)間，減少試驗(yàn)檢測(cè)頻率，提高試驗(yàn)檢測(cè)效率且未占用大壩填筑直線工時(shí)。

兩河口水電站大壩心墻土料填筑至今，φ300大型擊實(shí)復(fù)核共取樣檢測(cè)全料壓實(shí)度117組，φ800超大型擊實(shí)復(fù)核共取樣檢測(cè)全料壓實(shí)度16組。從檢測(cè)數(shù)據(jù)看，采用φ300大型擊實(shí)儀(等量替代法全級(jí)配)擊實(shí)試驗(yàn)進(jìn)行檢測(cè)復(fù)核的全料壓實(shí)度為97.3%～102.8%，平均值為99.6%；采用φ800超大型擊實(shí)儀進(jìn)行全料擊實(shí)試驗(yàn)檢測(cè)復(fù)核的全料壓實(shí)度為98.6%～102.7%，平均值為100.1%；檢測(cè)細(xì)料壓實(shí)度3 815組，相對(duì)應(yīng)的細(xì)料壓實(shí)度(三點(diǎn)擊實(shí)法)為100%～109.8%，平均值為103.8%。對(duì)

以上數(shù)據(jù)進(jìn)行分析可以看出：當(dāng)細(xì)料壓實(shí)度≥100%時(shí)，全料壓實(shí)度均大于設(shè)計(jì)要求的≥97%，因此，采用細(xì)料壓實(shí)度(三點(diǎn)擊實(shí)法)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)填筑質(zhì)量控制、φ300大型擊實(shí)和φ800超大型擊實(shí)定期復(fù)核全料壓實(shí)度的方法合理且實(shí)用。

5 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)對(duì)礫石土料擊實(shí)特性及質(zhì)量控制標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行的研究可以得出以下結(jié)論:

(1)在該工程設(shè)計(jì)P5含量范圍內(nèi)，采用φ300大型擊實(shí)儀和φ800超大型擊實(shí)儀對(duì)礫石土料全料壓實(shí)度進(jìn)行質(zhì)量控制是可靠、可行的；

(2)礫石土料全料壓實(shí)度≥97%的控制標(biāo)準(zhǔn)合適且合理；

(3)對(duì)礫石土料粒徑小于20 mm的細(xì)料壓實(shí)度采用100%作為控制指標(biāo)；

(4)采用細(xì)料壓實(shí)度(三點(diǎn)擊實(shí)法)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)填筑質(zhì)量控制、φ300大型擊實(shí)和φ800超大型擊實(shí)定期復(fù)核全料壓實(shí)度的方法合理且實(shí)用。